【正文】 基于 ARM_LPC2138 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的智能多用表 Abstract This is a design based on ARM LPC2138 experimental platform smart multimeter。如果要實(shí)現(xiàn)波形存儲(chǔ)功能，模擬示波器一般要通過(guò)一些特殊的材料物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這需要增加昂貴的成本，導(dǎo)致整個(gè)示波器的性價(jià)比降低 。 帶寬是示波器最重要的指標(biāo)之一。在示波表中，釋抑時(shí)間的數(shù)值可設(shè)為固定值，并且用戶不可訪問(wèn)。鑒于此，我們 需要 選用 一個(gè)實(shí)時(shí) 操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)，這可以很好的滿足我們的要求 [4][5][6]。 uC/OSII提供了很多系統(tǒng)服務(wù)，例如信號(hào)量、互斥型信號(hào)量、事件標(biāo)志、消息郵箱、消息隊(duì) 列、塊大小固定的內(nèi)存申請(qǐng)與釋放及時(shí)間管理函數(shù)等。 基于 Thumb 的一個(gè)關(guān)鍵的概念就 是“超精簡(jiǎn)指令集”。在本示波器中， 為了使不同幅度的信號(hào)都能夠衰減到同一范圍內(nèi)， 衰減倍數(shù)共 設(shè)置 1 1 20 六級(jí) [10]。 江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 18 觸發(fā) 電路設(shè)計(jì) 觸發(fā)電路的作用就在于保證每次采集的數(shù)據(jù)，都是從輸入信號(hào)上的一個(gè)精確確定的點(diǎn)開(kāi)始，這樣每一次掃描的波形就是同步的，從而顯示穩(wěn)定的波形。 采樣時(shí)鐘發(fā)生模塊 ADC 采樣模塊 高速 FIFO 模塊 時(shí)鐘采樣 寫時(shí)鐘 模擬信號(hào)輸入 數(shù)據(jù)至 ARM 寫使能控制信號(hào) 江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 21 S_CLK26S_DATA27S_LOAD28PLL_VCC1NC2NC3XTAL14XTAL25OE6M[2]10P_LOAD7M[0]8M[1]9M[3]11M[4]12M[5]13M[6]14M[7]15M[8]16N[0]17N[1]18VCC25GND22FOUT23FOUT24TEST20VCC21GND19U10MC1242912Y116M20pFC5320pFC541MR96C52C5110uFC50VDDA+VCC_MCVCC_MCVCC_MC VCC_MC SampCLK 圖 42 MC12429 時(shí)鐘發(fā)生電路 MC12429不但支持并口編程模式，還支持串口編程模式，這給使用者帶來(lái)了很大的方便，并且其操作非常簡(jiǎn)單。首先，它要受到量化范圍的限制。 圖 43 SN74V293 引腳排列圖 江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 25 圖 43 為 SN74V293 引腳排列圖， MRS 為主復(fù)位引腳， PRS 為局部復(fù)位引腳， 兩者均是低有效。具體所設(shè)計(jì)的電路如 圖 44。 圖 45 于兩倍于信號(hào)頻率對(duì)正弦波進(jìn)行采樣 從 圖 45 可以看出，當(dāng)采樣點(diǎn)在峰值附近時(shí)，能夠得到和原始波形很相似的波形，然而，當(dāng)采樣點(diǎn)不是在峰值附近時(shí)，信號(hào)的幅度信號(hào)就嚴(yán)重失真，甚至完全丟失， 事實(shí)上，如果信號(hào)準(zhǔn)確地取在過(guò)零處零碎碎點(diǎn)上，那么由于所有的采樣取得的值都是零零碎碎的，我們將完全觀測(cè)不到信號(hào)。 為了盡量地利用 SN74V293 的性能，本系統(tǒng)將 SN74V293 配置為 18 into 18 out 總線 模式 ， 在這種情況下可 實(shí)現(xiàn) AD9288 一次性往 FIFO 寫兩個(gè)通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，而 LPC2290 也 可一次性的從 FIFO 中讀取兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)。它沒(méi)有地址線，省去了尋址時(shí)間。LPC2290 對(duì) MC12429 進(jìn)行編程時(shí)，先 傳輸 T[2： 0]，再傳輸 N[1： 0]，最后傳輸M[8： 0]，不論是 T，還是 N， M，都是先傳輸高位 (MSB)。 一般地，在一個(gè) 智能多用表 中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包含采樣時(shí)鐘發(fā)生 模塊 、ADC 采樣 模塊 、高速 FIFO 模塊 三個(gè)部分，三者的關(guān)系如 圖 。 江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 16 R19 R20 R21 R22 R23 R24 R2510KR43100*3Vo2Vo31KR38C29VDDD+5V 47pFC281098U1BMAX4187Zoom_AZoom_CZoom_BZoom_AZoom_CZoom_BQ29013Q39013Q490134K7R94K7R124K7R131KR341KR451KR46VDDD+5V321U1DMAX41875KR85KR72K5R15AinAX013X114X215X312X41X55X62X74GND8VCC16Xout3A11B10C9EN6NC7U18MAX4167 圖 37 信號(hào)電壓放大電路 37 為本系統(tǒng)的信號(hào) 放大 電路，信號(hào)從運(yùn)算放大器的 同 相端輸入。 繼電器 K1 控制耦合方式， 三極管 Q1 處于開(kāi)關(guān)狀態(tài) ， 當(dāng) LPC2138 的 引腳輸出低電平時(shí)， Q1 截止， 繼電器 處于常開(kāi)狀態(tài) ，此時(shí)信號(hào)通過(guò)電容 C25 耦合輸入運(yùn)放的同相輸入端，只有交流信號(hào)通過(guò)， 即處于 交流耦合狀態(tài) ； 當(dāng) 引腳輸出高電平時(shí)， Q1 飽和導(dǎo)通，此時(shí)繼電器處于常閉狀態(tài)，輸入信號(hào)直接至運(yùn)放的同相輸入端，即處于直流耦合狀態(tài)。由此可見(jiàn)，使用一個(gè)小的、廉價(jià)的處理器核就非常容易實(shí)現(xiàn)很高的指令吞吐量核實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)。裁剪可以通過(guò)定義宏來(lái)實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單易行。 LPC2138 是由 NXP（原 Philips 半導(dǎo)體） 生產(chǎn)的 一款基于支持實(shí)時(shí) 仿真 和跟蹤的 16/32 位ARM7TDMISTM CPU 的微控制器 ，采用 64 腳封裝（可使用的 GPIO 在單片應(yīng)用時(shí)高達(dá) 47 個(gè)，完全能夠滿足各種應(yīng)用），具有 2 個(gè)獨(dú)立的 32 位定時(shí)器、 4 路 10位 ADC 以及多達(dá) 9 個(gè)外部中斷使它特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和 POS 機(jī)。 釋抑時(shí)間 在模擬示波器中釋抑時(shí)間是從掃描進(jìn)入回程起算，直到允許下一次掃描開(kāi)始的這一段時(shí)間，在這期間禁止任何觸發(fā)產(chǎn)生。所以這個(gè)必須選擇一個(gè)合適的范圍。 智能 多用表 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 傳統(tǒng)的多用 表 是從萬(wàn)用表演變過(guò)來(lái)的，萬(wàn)用表只能測(cè)量電壓、電流和電阻，功能比較單一，后來(lái)把 自動(dòng)量程 ,數(shù)據(jù)保持 ,相對(duì)值測(cè)量 ,自動(dòng)關(guān)機(jī) ,可測(cè)溫度、濕度、照度、噪聲 ,交直流電壓、交直流電流、電阻、電容、頻率和 占空比 等等一些功能加上去就產(chǎn)生了現(xiàn)代的多用表。在對(duì)數(shù)字式示波表和數(shù)字式萬(wàn)用表進(jìn)行簡(jiǎn)要討論的基礎(chǔ)上， 對(duì) 數(shù)字式示波表和數(shù)字式萬(wàn)用表 的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 進(jìn)行了簡(jiǎn)要的設(shè)計(jì)分析；對(duì) 參數(shù)測(cè)量模塊 中的 電壓測(cè)量、電流測(cè)量、 電阻測(cè)量 和頻率 測(cè)量等模塊作了詳細(xì)的介紹和分析；在對(duì)這些模塊進(jìn)行文字講述的同時(shí)結(jié)合了各個(gè)任務(wù) 電路圖 ； 為智能多用表的設(shè)計(jì)提供了比較好的設(shè)計(jì)思路?？梢哉f(shuō)，如果不是檢測(cè)手段和檢測(cè)工具的發(fā)展，電子技術(shù)也就不可能有今天的成就，當(dāng)然，電子技術(shù)的發(fā)展也極大的促進(jìn)了檢測(cè)手段和測(cè)量?jī)x器的發(fā)展 和 進(jìn)步。 所以做出來(lái)的智能多用表也是在已有的多用表上加入當(dāng)前較為先進(jìn)的數(shù)字式示波器功能，使得電子測(cè)量工具更具集成性。例如說(shuō) TEK 公司的 TES520B 的帶寬為 500MHz，實(shí)際上是指其模擬帶寬為 500MHz，而最高數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬只能達(dá)到 400MHz 遠(yuǎn)低于 模擬帶寬。 智能多用表 需求分析 對(duì)于 智能多用表 的研制 我個(gè)人認(rèn)為是 一項(xiàng)難度較高的工程， 所以在設(shè)計(jì)之前我們有必要來(lái)分析其需求。與一些商用的公開(kāi)代碼的實(shí)時(shí)內(nèi)核相比，它的源代碼清晰易讀，結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)，注釋詳盡。 圖 21 是本 智能 多用表的整體結(jié)構(gòu)框圖，從該框圖可以看出，除微控制器外， 智能 多用表主要由模擬通道、數(shù)據(jù)緩沖、 模數(shù)轉(zhuǎn)換、 存儲(chǔ)器擴(kuò)展和人機(jī)交互接口組成。 由于本系統(tǒng)不但含有數(shù)字電路，還含有模擬電路，尤其是含有對(duì)噪聲極為敏感的 A/D 轉(zhuǎn)換器件，所以模擬 電路 與數(shù)字 電路 應(yīng)該 單獨(dú)供電 ，這樣才能 降低噪聲和出錯(cuò)幾率 ，基于這種考慮，本系統(tǒng) 分別設(shè)計(jì)了模擬電源和數(shù)字電源，兩者之間的地通過(guò)一個(gè)大電感連接在一起 。 為了 增大運(yùn)放的輸入阻抗，并且 各個(gè)電阻的阻值都盡量合理，所取 值能夠通過(guò)現(xiàn)有電 阻簡(jiǎn)單的并聯(lián)或串聯(lián)得到（標(biāo)稱值），可 取32 10RK??， 此時(shí) 26 27140 ， 28R K R K? ? ? ?， 2 8 2 91 8 .8 6 ， 7 .1 8R K R K? ? ?，30 ， K R K? ? ? ?， 此時(shí)運(yùn)算放大器輸入阻抗約為 ? 。系統(tǒng)事先根據(jù)用戶不同的觸發(fā)選擇來(lái)設(shè)置相應(yīng)的外部中斷觸發(fā)方式，如用戶選擇上升沿觸發(fā)，則將 EINT3 中斷設(shè)置為上升沿觸發(fā)， LPC2290 產(chǎn)生 EINT3 中斷后通過(guò)使能高速 FIFO 的寫信號(hào)來(lái)啟動(dòng)新一輪的 AD 采樣 ，從而實(shí)現(xiàn)觸發(fā)功能 。 FOUT為 MC12429的頻率輸出，其值可由下式計(jì)算得出： ( 1 6 )X TA LF O U T F M N? ? ? ? （ 6） 其中， XTALF 是 外部 晶體振蕩器的頻率， M 是內(nèi)部 PLL 環(huán)路的分頻系數(shù)， N是輸出 分頻器的分頻系數(shù)。編碼位數(shù)越多，對(duì)模擬信號(hào)的分辨率也就越 高，采樣出來(lái)的信號(hào)電壓值也就更準(zhǔn)確。 當(dāng)配置為 18位總線寬度時(shí)，容量為 65536字節(jié)（一個(gè)字節(jié) 18位），當(dāng)配置為 9位總線寬度時(shí)，容量 達(dá) 131072字節(jié)（ 9位每個(gè)字節(jié)）， 如此大的存儲(chǔ)容量可使 ADC在以較高的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)仍能得到較長(zhǎng)時(shí)間的波形數(shù)據(jù)，從而獲得更為豐富、細(xì)膩的波形信息。 采樣的方法與實(shí)現(xiàn) 采樣分為實(shí)時(shí)采樣和非實(shí)時(shí)采樣。本項(xiàng)目中，我們采用了實(shí)時(shí)采樣和 非實(shí)時(shí) 采樣技術(shù)。同時(shí)，用戶還可根據(jù)需要選擇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序或 FWFT（ FirstWord FallThrough）時(shí)序， FWFT模式下可以很方便的擴(kuò)展 FIFO的深度和寬度，為大容量、高寬度的應(yīng)用提供了簡(jiǎn)便的解決方案。 A/D 控制寄存器控制 A/D 轉(zhuǎn)換通道選擇、轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度和起始條件等 信息。 表 04 輸出范圍與 N 關(guān)系 N FOUT FOUT 范圍 1 M 200 – 400 MHZ 2 M/2 100 – 200 MHZ 4 M/4 50 – 100 MHZ 8 M/8 25 – 50 MHZ 江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 22 由于本 智能多用表 系統(tǒng)采用的 ADC 最大采樣速率為 ，所以只能將 N設(shè)置為 8。 要測(cè)量信號(hào)的頻率，就必 須先對(duì)信號(hào)整形成為標(biāo)準(zhǔn)的方波。 在 圖 中， C、 B、 A 由 LPC2290 的 、 、 控制。 112233445566D DC CB BA AT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eBD a t e : 20xx 5 26 S he e t of F i l e : D : \ w ode w e nj i a n\ ..\ S he e t c hD oc D r a w n B y :2200uF / 16VC22200uF / 16VC32200uF / 16VC42200uF / 16VC52200uF / 16VC6100pFC7100pFC8R1R2D S 1D S 2V i n V outGND780510m HL10m HL2123V D D A + 5V123V D D A 5V2200uF / 16VC1V i nV outGND7905T V NT V P 圖 321 正負(fù) 5 負(fù)模擬電源電路原理圖 江西理工大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 10 112233445566D DC CB BA AT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eBD a t e : 20xx 5 26 S he e t of F i l e : D : \ w ode w e nj i a n\ ..\ S he e t c hD oc D r a w n B y :2200uF / 16VC22200uF / 16VC32200uF / 16VC42200uF / 16VC52200uF / 16VC6100pFC7100pFC8R1R2D S 1D